За последние 20 лет упаковка для пищевых продуктов, устойчивая к хранению, претерпела значительные изменения: от стандартных металлических и стеклянных банок до полимерных и композитных пакетов с добавленной стоимостью, мисок, стаканчиков и подносов. Из-за такого развития событий было установлено, что обычный автоклав для погружения в насыщенный пар или статическую воду не подходит для обеспечения оптимального теплового процесса в этих новых контейнерах. Технология автоклавирования идет в ногу с эволюцией контейнеров, продвигаясь к более сложным стерилизаторам с избыточным давлением, в которых используются различные нагревающие и охлаждающие среды в сочетании с избыточным давлением для обеспечения необходимого термического процесса при сохранении целостности упаковки.
Не все автоклавы периодического действия одинаковы для обработки гибкой упаковки. Стандартные модели автоклавов для серийного производства, предлагаемые многими производителями, включают статическое и вращающееся пароводяное распыление, статический водяной каскад, вращающееся погружение в воду, а также статические и вращающиеся паро-воздушные модели, которые могут работать под избыточным давлением. Для пищевой промышленности также доступны горизонтальные стерилизаторы непрерывного действия, способные обеспечивать подачу насыщенного пара или процессы с избыточным давлением при осевом вращении, и вертикальные гидростатические стерилизаторы, способные обеспечивать статическую подачу насыщенного пара или процессы с избыточным давлением. Из-за негибкости тары и ограниченной возможности оптимизировать тепловые процессы автоклава непрерывного действия лучше всего подходят для обычных продуктов, упакованных в металлические банки (например, овощей в рассоле, кормов для домашних животных и т.д.). В данной статье мы не будем рассматривать плюсы и минусы моделей непрерывного действия из-за значительных капитальных затрат, связанных с этими установками, а также из-за того, что автоклавы периодического действия обеспечивают наибольшую гибкость при консервировании пищевых продуктов. В дополнение к старым резервным автоклавам с насыщенным паром Allpax предлагает все другие типы автоклавов периодического действия. Большинство из них доступны в виде статических моделей или моделей с перемешиванием.
Некоторые автоклавы могут работать в нескольких режимах, что не обрекает производителя продуктов питания на большие капиталовложения, возможности которых могут быть ограничены из-за различных конструкций упаковки. Возможно, в один прекрасный день вы обрабатываете металлические банки, для которых не требуется избыточное давление, а на следующий — пакеты, для которых требуется избыточное давление. Многорежимные конструкции автоклавов позволяют гибко адаптироваться к изменениям типов используемых емкостей. Режим насыщенного пара для обработки металлических банок с двойным швом и режим распыления пара/воды с избыточным давлением для обработки гибкой упаковки.
Конструкции автоклавов с избыточным давлением
Одной из общих черт всех современных автоклавов с избыточным давлением является необходимость механического перемещения или “перемешивания” нагревательной и охлаждающей среды. Как правило, это достигается с помощью насоса для погружения в воду, пароводяных распылителей и каскадных автоклавов с водой или с помощью высокоскоростного вентилятора в случае паровоздушных автоклавов. Основная задача заключается в поддержании достаточно высокой скорости потока во всем автоклаве для обеспечения температурного равновесия. Цель состоит в том, чтобы обеспечить одинаковый температурный профиль в каждом контейнере и при этом уравновесить давление, создаваемое внутри упаковки.
Вероятно, самым важным свойством любого автоклава является ее способность обеспечивать равномерную тепловую обработку всех емкостей. Это лучше всего достигается путем направления нагревающей и охлаждающей среды параллельно основным теплопередающим поверхностям емкости. Например, основной поверхностью теплопередачи большинства цилиндрических емкостей, когда высота банки превышает диаметр, является боковая стенка емкости по сравнению с торцами контейнера. Что касается пакетов, низкопрофильных чаш и лотков, то верхняя и нижняя части этих контейнеров будут передавать большую часть тепловой энергии в контейнер. В обоих случаях оптимальный поток нагревающей и охлаждающей среды будет проходить параллельно этим поверхностям.
Итак, какой автоклав лучше всего подходит для какой упаковки? Существует ли “один автоклав, которая подходит для всех”?
Ответы на эти вопросы, безусловно, могут вызвать гнев большинства производителей автоклавов, которые ограничивают ассортимент своей продукции одним типом автоклавов. Это не является целью данной статьи. Если бы целью была политкорректность или, в данном случае, “корректность ответа”, то передача соответствующей информации не была бы достигнута. Учитывая вышесказанное, мы предлагаем свое мнение, основанное на многолетнем практическом опыте проектирования и тестирования всех типов автоклавов, которые сегодня имеются в продаже, а также емкостей любого типа и размера, которые только можно себе представить.
Обработка погружением в воду
Статическая версия этого типа автоклавов использовалась десятилетиями, задолго до изобретения ротационных моделей. Статические версии бывают как вертикальными, так и горизонтальными. В вертикальных моделях обычно используется сжатый воздух, подаваемый на дно емкости для улучшения циркуляции и создания избыточного давления. Горизонтальные модели обычно используют насос для циркуляции технологической воды снизу вверх, при этом воздух или пар нагнетаются выше уровня воды для создания избыточного давления.
Принцип работы вертикальной модели довольно прост. В горизонтальных моделях он более сложен. В вертикальных автоклавах емкость заполняется технической водой, и перед тем, как корзины с продуктами опускаются в стерилизатор, эта вода предварительно нагревается до определенной степени. Уровень воды должен быть выше уровня самых верхних емкостей. После загрузки автоклава крышку емкости закрывают, и на дно автоклава подается пар, смешанный с воздухом. Как указывалось ранее, сжатый воздух, подаваемый в нижнюю часть корпуса, обладает двояким действием purpose…….to способствует циркуляции и создает избыточное давление. Эти автоклавы идеально подходят для цилиндрических емкостей, стоящих вертикально в корзинах, поскольку поток воды параллелен основным передаточным поверхностям емкости. Контейнеры, имеющие такие поверхности, перпендикулярные потоку воды (например, пакеты, лотки и плоские металлические банки), будут оказывать большее сопротивление потоку, и за счет этого внутри загрузки автоклава, как правило, будут образовываться горячие и холодные точки.
В горизонтальных моделях корзины с продуктами закатываются в пустую емкость-автоклав, дверца емкости закрывается, и, как правило, предварительно нагретая технологическая вода подается из отдельной емкости для хранения. Как только достигается необходимый уровень воды (выше уровня самых верхних емкостей), включается циркуляционный насос, который забирает технологическую воду со дна емкости и направляет ее через смесительную камеру, куда непосредственно подается пар, или через теплообменник, где происходит косвенный нагрев технологической воды. Затем нагретая технологическая вода подается обратно в верхнюю часть автоклавного сосуда или через ряд впускных отверстий, окружающих корзины автоклава.
Создание избыточного давления в наиболее распространенных горизонтальных моделях может быть более сложным, чем в вертикальных установках. Наиболее распространенным методом создания избыточного давления является использование дополнительной емкости для хранения, встроенной в технологическую емкость. Эта вторая емкость служит двум целям. Во-первых, она используется для предварительного нагрева технологической воды до очень высоких температур, что сокращает время настаивания. Как только дверца автоклава закрывается, перегретая горячая вода подается в нижний технологический резервуар. Емкость для хранения рассчитана таким образом, чтобы ее емкость для удержания воды была немного больше емкости для технологического оборудования, когда оно заполнено контейнерами. После завершения перекачки предварительно нагретой воды в емкости для хранения должно остаться некоторое количество воды для обеспечения надлежащего регулирования давления. Благодаря соединительному клапану емкости для хранения и обработки остаются “соединенными” на этапах нагрева и начального охлаждения. Давление пара, превышающее уровень остаточной воды в емкости для хранения, поддерживается на требуемом избыточном давлении в технологической емкости, и это избыточное давление передается из хранилища в технологическую емкость через соединительный клапан.
В более простых типах горизонтальных автоклавов для погружения в воду технологическая емкость изолируется от емкости для предварительного подогрева после завершения перекачки воды. Избыточное давление в технологической емкости создается путем подачи сжатого воздуха в пространство над уровнем воды. Как только достигается необходимый уровень воды, включается циркуляционный насос, который забирает технологическую воду со дна емкости и направляет ее через смесительную камеру, куда непосредственно подается пар, или через теплообменник, где происходит косвенный нагрев технологической воды. Затем нагретая технологическая вода возвращается в верхнюю часть технологического резервуара или через ряд впускных отверстий, окружающих корзины реторт.
Большинство горизонтальных автоклавов для погружения в воду имеют от 1 до 3 рядов отверстий, через которые вода поступает обратно в верхнюю часть емкости. В зависимости от того, насколько хорошо эти отверстия закрывают корзины для автоклавов, определяется оптимальная геометрия емкости для обработки в этих автоклавах. Те, которые вводят воду над корзинами, лучше всего подходят для цилиндрических емкостей по той же причине, о которой говорилось в разделе «вертикальные автоклавы». Для горизонтальных автоклавов, которые имеют множество входных отверстий сверху и по бокам, геометрия упаковки становится менее сложной, при условии, что сила проникновения воды достаточна для проникновения через загрузку.
Вращение загрузки автоклава способствует равномерному распределению температуры внутри этих автоклавов за счет тщательного перемешивания технологической воды. Наиболее распространенные вращающиеся горизонтальные автоклавы погружного типа. Вода придает грузу плавучесть, уменьшая нагрузку на вращающийся механизм и на контейнеры (в частности, на стеклянные банки и бутылки). Вращение загрузки в автоклав имеет много положительных преимуществ, одним из которых является улучшение теплоотдачи, поскольку система не зависит полностью от циркуляционного насоса для достижения равномерного распределения температуры внутри технологического резервуара.
Каскадная обработка воды
Этот тип автоклавов часто называют каскадными, струйчатыми, душевыми или дождевыми ретортами, поскольку технологическая вода обливает загрузку автоклава.
Принцип действия прост. Технологическая вода забирается из нижней части автоклава с помощью насоса, циркулирует по внешнему теплообменнику, где происходит косвенный нагрев воды, а затем перераспределяется в верхней части автоклава. Технологическая вода проходит через перфорированную водораспределительную пластину, расположенную в верхней части автоклава, и стекает каскадом в корзины для продуктов. Распределительная пластина обычно имеет ту же ширину, что и корзины автоклава, и ту же длину (спереди назад внутри автоклава), что и общая длина всех корзин при полной загрузке. Количество и размер отверстий в верхней распределительной пластине имеют решающее значение для обеспечения равномерного распределения технологической воды по всей загрузке. Кроме того, в большинстве систем 4 вертикальные стенки автоклавных корзин выполнены сплошными, что помогает направлять технологическую воду через корзину. Уровень воды должен быть ниже дна корзин-автоклава, а перфорированные днища корзин должны быть сконструированы таким образом, чтобы они не препятствовали прохождению воды через загрузку. Ниже приведено простое изображение этого автоклава.
Исходя из того, что теплопередача оптимизируется, когда поток нагревающей и охлаждающей среды параллелен основным передающим поверхностям контейнера, эти автоклавы идеально подходят для цилиндрических емкостей (консервных банок и стеклянных банок), стоящих вертикально в корзине для автоклавов. Контейнеры, поверхности которых расположены перпендикулярно потоку льющейся каскадом воды (например, пакеты, лотки и плоские металлические банки), будут оказывать большее сопротивление потоку, и в результате внутри загрузки автоклава могут образоваться горячие и холодные точки.
Кроме того, в этих автоклавах из-за динамики потока и того факта, что технологическая вода нагревается снаружи, емкости, расположенные в верхней части корзин, нагреваются быстрее, чем те, что расположены в нижней. Когда нагретая вода поступает в корзину, первые емкости, которые соприкасаются с этой водой, поглощают большую часть тепловой энергии. По мере того как вода стекает по корзине, для емкостей, расположенных на дне корзины, остается меньше тепловой энергии, особенно во время подъема и в начале процесса приготовления. Во время охлаждения верхние контейнеры охлаждаются быстрее, чем нижние, поэтому происходит некоторое “уравновешивание” тепла, получаемого всеми контейнерами. Однако для тех предприятий, которые при определении продолжительности термического процесса, необходимого для обеспечения стерильности в промышленных условиях, используют только нагревание, контейнеры, расположенные в верхней части корзины, наверняка будут подвергнуты дополнительной термической обработке, прежде чем нижние контейнеры достигнут требуемой летальности.
Обработка паром/воздухом
По различным техническим причинам и, следовательно, по причинам, приемлемым для FDA, этот тип автоклавов не является распространенным в США, хотя они довольно распространены в Европе и других частях мира..
Как и в случае с автоклавами с водяным каскадом, принцип действия относительно прост. Пар подается в нижнюю часть емкости и выпускается через верхнюю часть для удаления большей части остаточного воздуха. Регулирование избыточного давления осуществляется путем подачи сжатого воздуха в корпус и удаления избыточного давления из корпуса. Конденсат, образующийся в результате передачи тепла, отводится со дна корпуса автоклава.
Отличительной особенностью паровоздушных автоклавов является использование высокоскоростного вентилятора для циркуляции паровоздушной смеси. Это чрезвычайно важная функция для поддержания однородной смеси пара и воздуха, поскольку в случае сбоя циркуляции воздушные пробки могут изолировать контейнеры в загрузке. Это может привести к неполной обработке данных.
Наиболее распространенные паровоздушные модели оснащены одним высокоскоростным вентилятором, установленным на одном конце автоклава. В этих автоклавах паровоздушная смесь подается к вентилятору, а затем вытесняется обратно к противоположному концу корпуса автоклава за сплошными перегородками, которые закрывают боковые стенки корзин автоклава. Как только смесь достигает торца корпуса, противоположного вентилятору, куполообразная торцевая крышка выталкивает пар/воздух обратно через корзины автоклава к вентилятору. В этих автоклавах поток паровоздушной теплоносителя проходит горизонтально или параллельно верхней и нижней частям корпуса автоклава.
В большинстве моделей паро-воздушных автоклавов с горизонтальным потоком 4 вертикальные стенки корзин открыты, что обеспечивает беспрепятственный поток теплоносителя. Поскольку поток осуществляется горизонтально, эти автоклавы идеально подходят для “плоских” емкостей. Пакеты, низкопрофильные лотки и банки являются наиболее подходящими типами емкостей для данного типа автоклавов.
В некоторых паровоздушных автоклавах для циркуляции теплоносителя используется несколько вентиляторов, по одному над каждой корзиной. Пар подается под корзины автоклавов, а направление потока — вертикальное (снизу вверх, по направлению к вентилятору). Как и автоклавы с водяным каскадом, эти автоклавы идеально подходят для цилиндрических емкостей (консервных банок и стеклянных банок), стоящих вертикально в корзине для автоклавов. Контейнеры, основные поверхности теплопередачи которых расположены перпендикулярно потоку технологической среды (например, пакеты, лотки и плоские металлические банки), будут оказывать большее сопротивление потоку, и за счет этого внутри загрузки автоклава могут образовываться горячие и холодные точки.
При использовании любой из паровоздушных автоклавов, с горизонтальным или вертикальным потоком, сторона корзины, ближайшая к точке выпуска пара из парораспределителя (ов), как правило, нагревается быстрее, поскольку контейнеры, расположенные вдоль этой стороны, первыми подвергаются воздействию тепла. Поскольку паровоздушная смесь проходит через корзину, тепловая энергия, выделяемая контейнерами с противоположной стороны от входа пара в корзину, уменьшается. Как и в моделях с водяным каскадом, температура в конечном итоге выравнивается в начале процесса приготовления.
Обработка паром/водяной струей
Как и в случае с автоклавами с водяным каскадом, принцип их работы довольно прост. Технологическая вода заливается в нижнюю часть автоклав до уровня полости (т.е. днища) под корзинами. Если в этой зоне установлен распределитель пара для предварительного подогрева, то перед закрытием дверцы и началом процесса воду можно подогреть до температуры, предусмотренной рецептурой. Если в трюмной зоне нет распределителя пара, то процесс начнется с воды комнатной температуры, которая находится в трюмной зоне или подается в нее.
Технологическая вода забирается со дна автоклава с помощью насоса и либо непосредственно нагревается паром через парораспределитель (ы) по всей длине емкости, расположенный под загрузкой продукта в емкость, либо косвенно через теплообменник. Затем технологическая вода распределяется по ряду распределительных трубок, расположенных вокруг автоклавных корзин, которые оснащены множеством распылительных форсунок вентиляторного типа. Allpax предлагает как непрямой, так и прямой нагрев рабочей среды.
Когда нагрев осуществляется путем прямого впрыска пара в корпус автоклава, турбулентность, создаваемая водой, выходящей из распылительных форсунок, смешивает паровую и воздушную среду, образуя однородную теплоноситель.
Точно так же, как паровоздушные автоклавы используют часть воздуха, содержащегося внутри автоклава, когда дверца закрыта и при нагревании начинает создаваться избыточное давление, так и автоклавы с водяным распылением используют часть воздуха, содержащегося внутри автоклава. Регулирование избыточного давления осуществляется либо путем сброса избыточного давления из корпуса, либо путем подачи в него сжатого воздуха.
Особенностью автоклава с водяным распылением является ее способность забирать технологическую воду и турбулентно разбрызгивать ее по всей поверхности автоклава. Вода поступает обратно в технологическую камеру через специально разработанные форсунки, которые “распыляют” ее на очень мелкие капли. Форма распыления из форсунок обычно коническая, и это создает перекрывающиеся формы распыления по всей поверхности автоклава. В правильно спроектированных автоклавах для распыления воды практически отсутствуют мертвые зоны, как показано ниже.
Ранние модели обычно имели 1-3 распределительных патрубка, подвешенных над корзинами автоклавов, с распылительными форсунками, расположенными на расстоянии ~ 6-12 дюймов друг от друга, которые направляли струю через верхнюю часть загрузки автоклавов.
Автоклав для распыления воды позволяют устанавливать индивидуальное количество и расположение распределительных трубок и распылительных форсунок в зависимости от типа и ориентации контейнера, которые обычно охватывают загрузку с трех сторон для максимального проникновения рабочей среды и, таким образом, обеспечивают оптимальное распределение температуры.
Охлаждение, как правило, осуществляется через внешний пластинчатый и каркасный теплообменники, и, опять же, обычно охлаждающая среда поступает с 3-х сторон корзины автоклава, что сводит к минимуму возникновение горячих точек, которые могут возникнуть при однонаправленном потоке охлаждающей среды.
Статическое перемешивание против. Вращательное против. Горизонтальное возвратно-поступательное перемешивание
Термический процесс и качество готовой продукции для некоторых контейнеров и продуктов может быть значительно улучшено за счет перемещения загрузки контейнера во время технологического цикла. Перемещение или перемешивание загрузки контейнера приводит к конвекционному нагреву продукта внутри контейнера. Уровень конвекции зависит от свободного пространства внутри контейнера, вязкости продукта, геометрии контейнера, ориентации контейнера и типа перемещения груза в контейнере.
Один из наиболее распространенных видов обработки порционных автоклавов с принудительной конвекцией использует вращение контейнеров «из конца в конец» (EOE). Исторически сложилось так, что металлические банки, стеклянные баночки и полимерные емкости выигрывают от вращения EOE из-за простоты управления свободным пространством, а жесткость контейнера помогает поддерживать это свободное пространство. Однако некоторые упакованные продукты, подвергнутые вращению с более низкой скоростью (<10 об/мин), показывают, что продукты в этих контейнерах также могут извлекать выгоду из вращения EOE при условии надлежащего контроля свободного пространства (обычно измеряемого как уровень остаточного газа).
Ротор внутри автоклава вращает корзины из стороны в сторону со скоростью от 2 до 25 оборотов в минуту. Это приводит к тому, что пузырьки воздуха внутри контейнера перемещаются от стенок контейнера к центру, что приводит к тщательному перемешиванию горячих и холодных областей. Смешивание значительно сокращает время, необходимое для получения стерильного продукта. По сравнению со статическими методами обработки, процесс можно сократить на целых 60%.
Технология EOE, как правило, лучше подходит для процессов погружения в воду, поскольку вода придает загрузке автоклава плавучесть, а это частично снимает нагрузку с емкостей, приводного механизма и опорных роликов, поддерживающих вставку и загружаемый в нее продукт.
Горизонтальное возвратно-поступательное перемешивание — это еще один способ принудительной конвекции продукта внутри контейнера. Это относительно новая технология, при которой горизонтально ориентированные контейнеры, такие как пакеты или лотки, устанавливаются на лотки, которые укладываются друг на друга в виде куба. После загрузки в автоклав кубики совершают возвратно-поступательные движения вперед и назад, что способствует перемешиванию продукта внутри контейнеров. Автоклавы с плавным перемещением способны совершать возвратно-поступательные движения со скоростью от 0 до 60 ходов вперед и назад в минуту. Атоклавы SHAKA способны совершать возвратно-поступательные движения со скоростью до 360 шестидюймовых ходов в минуту!!
Плавное перемещение или обработка SHAKA может осуществляться в среде насыщенного пара или распыления воды. Эти режимы обеспечивают максимальное проникновение теплоносителя через загрузку автоклава. Напомним, что обработка насыщенным паром лучше всего подходит для металлических емкостей с двухшовной крышкой, в то время как обработка распылением воды под избыточным давлением может применяться для всех типов емкостей.
Ретортные пакеты и низкопрофильные лотки, ориентированные горизонтально, лучше всего подходят для мягкого перемешивания и приготовления ШАКА благодаря низкопрофильной геометрии контейнера. Возвратно-поступательное перемешивание способствует эффективному конвективному нагреву и охлаждению внутри контейнеров. В вертикально ориентированных контейнерах, таких как жестяные банки или стеклянные баночки/бутылки, перемешивание возвратно-поступательным движением не создает достаточной турбулентности внутри контейнера, что позволяет экономить время процесса и/или улучшает качество продукта.
Резюме
Автоклав, как правило, является одним из самых дорогих элементов оборудования на перерабатывающем предприятии и, как правило, самым долговечным. Мы часто видим автоклавы, которые используются уже более 40 лет. В современной быстро меняющейся рыночной отрасли, где внешний вид и удобство — это все, производственные предприятия часто понятия не имеют, какие продукты и тара ждут их за ближайшим углом. По этим причинам многие компании выбирают автоклавы периодического действия из-за присущей им гибкости (по сравнению с системами непрерывной стерилизации или асептическими системами) и чаще всего выбирают многорежимные автоклавные системы, чтобы максимально повысить гибкость процесса автоклавирования периодического действия.